Tổng quan nghiên cứu

Quá trình cracking xúc tác tầng sôi (Fluid Catalytic Cracking – FCC) là một công đoạn then chốt trong các nhà máy lọc dầu nhằm chuyển hóa các phân đoạn dầu nặng có nhiệt độ sôi cao (>360 °C) thành các sản phẩm có giá trị kinh tế như xăng động cơ và olefin nhẹ, đặc biệt là propylen – nguyên liệu quan trọng cho ngành hóa dầu. Trên thế giới hiện có khoảng hơn 300 phân xưởng FCC đang hoạt động, tiêu thụ khoảng 840.000 tấn xúc tác FCC mỗi năm, đóng góp phần lớn sản lượng xăng và propylen toàn cầu. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp lọc hóa dầu phát triển mạnh với hai phân xưởng RFCC tại nhà máy lọc dầu Dung Quất và Nghi Sơn, tuy nhiên toàn bộ xúc tác FCC sử dụng đều phải nhập khẩu do chưa có công nghệ sản xuất trong nước.

Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình tạo hạt xúc tác FCC dạng công nghiệp ứng dụng cho phân xưởng RFCC của nhà máy lọc dầu Dung Quất, với mục tiêu xây dựng quy trình sấy phun tối ưu để tạo hạt vi cầu xúc tác, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như pH, hàm lượng rắn, thời gian già hóa và nhiệt độ dòng khí sấy. Nghiên cứu cũng thử nghiệm chế tạo xúc tác cracking với các chất nền khác nhau gồm silica, alumina-silica và alumina, đồng thời đánh giá hoạt tính xúc tác trên mẫu nguyên liệu FCC thực tế từ nhà máy Dung Quất bằng thiết bị SCT-MAT mô phỏng điều kiện hoạt động phân xưởng RFCC.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình tạo hạt xúc tác FCC dạng vi cầu bằng công nghệ sấy phun trong phòng thí nghiệm, đặc trưng hóa lý và đánh giá hoạt tính xúc tác chế tạo được. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc từng bước làm chủ công nghệ chế tạo xúc tác FCC trong nước, góp phần giảm phụ thuộc nhập khẩu, nâng cao hiệu quả vận hành phân xưởng RFCC và phát triển ngành lọc hóa dầu Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết cracking xúc tác tầng sôi (FCC): Quá trình chuyển hóa các phân đoạn dầu nặng thành sản phẩm nhẹ hơn nhờ xúc tác có tính axit, trong đó zeolite là thành phần hoạt tính chính quyết định hiệu suất cracking và chất lượng sản phẩm.

  • Mô hình cấu trúc xúc tác FCC: Xúc tác FCC gồm hai pha chính là pha hoạt tính zeolite (chiếm 10-50% khối lượng) và pha nền (matrix) chiếm 50-90%, trong đó zeolite USY (Ultrastable Y) có cấu trúc mao quản lớn (~0,74 nm) và tính axit mạnh được sử dụng phổ biến. Pha nền gồm alumino-silicat vô định hình, oxit nhôm và các chất trơ như cao lanh, có vai trò kết dính, tải nhiệt và hỗ trợ khuếch tán.

  • Lý thuyết kỹ thuật sấy phun: Quá trình tạo hạt xúc tác dạng vi cầu bằng cách phun sương hỗn hợp gel xúc tác vào buồng sấy có dòng khí nóng, làm bay hơi nước nhanh chóng, hình thành hạt có kích thước và hình dạng đồng đều. Các yếu tố ảnh hưởng chính gồm nhiệt độ dòng khí sấy, pH hỗn hợp, hàm lượng rắn và thời gian già hóa.

  • Các phương pháp đặc trưng xúc tác: XRD (phân tích cấu trúc tinh thể), BET (đo diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp), SEM (quan sát hình thái bề mặt), XRF (phân tích thành phần nguyên tố), NH3-TPD (đánh giá tính axit bề mặt).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu nghiên cứu gồm zeolite HY, thủy tinh lỏng, nhôm hydroxide, cao lanh và mẫu nguyên liệu FCC thực tế từ nhà máy lọc dầu Dung Quất. Thiết bị chính là máy sấy phun mini Buchi B290 và hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác SCT-MAT.

  • Phương pháp phân tích: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố pH, hàm lượng rắn, thời gian già hóa và nhiệt độ dòng khí sấy đến quá trình tạo hạt xúc tác bằng kỹ thuật sấy phun. Đặc trưng hóa lý xúc tác bằng XRD, BET, SEM, XRF, NH3-TPD. Đánh giá hoạt tính xúc tác trên mẫu nguyên liệu FCC bằng thiết bị SCT-MAT mô phỏng điều kiện phân xưởng RFCC.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu xúc tác được chế tạo thử nghiệm với ba hệ chất nền khác nhau (silica, alumina-silica, alumina) theo quy trình sấy phun tối ưu. Mỗi mẫu được phân tích và đánh giá hoạt tính lặp lại để đảm bảo độ tin cậy.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2020, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, tối ưu quy trình sấy phun, chế tạo xúc tác thử nghiệm, đặc trưng hóa và đánh giá hoạt tính xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện sấy phun tối ưu: Nhiệt độ dòng khí sấy đầu vào 220 °C, pH hỗn hợp khoảng 3, hàm lượng rắn 15% và thời gian già hóa 2 giờ là các điều kiện tối ưu để tạo hạt vi cầu xúc tác FCC có kích thước trung bình khoảng 53 µm, phân bố kích thước đồng đều và bề mặt mịn.

  2. Ảnh hưởng của pH: Khi pH giảm dưới 7, đặc biệt ở khoảng 3, quá trình polymer hóa silicat diễn ra hiệu quả hơn, tạo liên kết chắc chắn giữa các thành phần, hạt xúc tác có kích thước nhỏ, đồng đều và ít kết tụ. pH cao hơn làm hạt có kích thước lớn và phân bố không đồng đều.

  3. Đặc trưng hóa lý xúc tác: Mẫu xúc tác chế tạo với chất nền silica có diện tích bề mặt BET lớn nhất, thể tích lỗ xốp cao, cấu trúc tinh thể zeolite USY ổn định, độ axit bề mặt phù hợp với hoạt tính cracking. SEM cho thấy hạt có bề mặt mịn, hình cầu đồng đều, không bị vỡ hay nhăn.

  4. Hiệu quả hoạt tính xúc tác: Mẫu xúc tác silica đạt độ chuyển hóa nguyên liệu 87%, hiệu suất xăng 53% và sản lượng propylen khoảng 7,4%, vượt trội so với các mẫu alumina-silica và alumina. So sánh với xúc tác công nghiệp hiện đang sử dụng tại nhà máy Dung Quất, mẫu xúc tác tối ưu có hoạt tính tương đương hoặc cao hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy kỹ thuật sấy phun là phương pháp hiệu quả để tạo hạt xúc tác FCC dạng vi cầu với kích thước và hình thái phù hợp yêu cầu vận hành phân xưởng RFCC. Nhiệt độ dòng khí sấy 220 °C đảm bảo bay hơi nước nhanh nhưng không gây co ngót hay vỡ hạt. pH thấp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình polymer hóa silicat, giúp liên kết các thành phần trong hạt xúc tác chắc chắn hơn.

Đặc trưng hóa lý cho thấy mẫu xúc tác silica có cấu trúc zeolite USY ổn định, diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng cracking và khuếch tán nguyên liệu. Độ axit bề mặt phù hợp giúp tăng hiệu suất cracking và giảm sản phẩm không mong muốn như cốc.

So sánh với các nghiên cứu trước đây và xúc tác công nghiệp nhập khẩu, kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng làm chủ công nghệ chế tạo xúc tác FCC trong nước, góp phần giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao hiệu quả vận hành phân xưởng RFCC. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố kích thước hạt, đồ thị BET, phổ XRD và biểu đồ hiệu suất cracking để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất xúc tác FCC dạng vi cầu quy mô công nghiệp: Áp dụng quy trình sấy phun với điều kiện tối ưu đã xác định (nhiệt độ 220 °C, pH 3, hàm lượng rắn 15%, thời gian già hóa 2 giờ) để sản xuất xúc tác FCC cho phân xưởng RFCC nhà máy Dung Quất trong vòng 12-18 tháng, do Công ty CP Lọc hóa dầu Bình Sơn phối hợp với Viện Dầu khí Việt Nam thực hiện.

  2. Nâng cao chất lượng nguyên liệu đầu vào: Kiểm soát chặt chẽ thành phần zeolite USY và chất nền silica, đảm bảo độ tinh khiết và kích thước hạt phù hợp nhằm duy trì tính ổn định và hiệu suất xúc tác trong quá trình vận hành.

  3. Phát triển hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác tại chỗ: Xây dựng phòng thí nghiệm đánh giá xúc tác chuyên dụng với thiết bị SCT-MAT để kiểm tra định kỳ hoạt tính xúc tác, từ đó điều chỉnh quy trình sản xuất và phối trộn xúc tác phù hợp với biến động nguyên liệu đầu vào.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ vận hành và kỹ thuật viên về quy trình chế tạo xúc tác FCC, kỹ thuật sấy phun và phương pháp đặc trưng hóa xúc tác nhằm nâng cao năng lực nội bộ và đảm bảo vận hành ổn định.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa dầu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ chế tạo xúc tác FCC, kỹ thuật sấy phun và phương pháp đặc trưng hóa xúc tác, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Cán bộ kỹ thuật và quản lý nhà máy lọc dầu: Tham khảo để hiểu rõ quy trình sản xuất và đánh giá xúc tác FCC, từ đó tối ưu hóa vận hành phân xưởng RFCC, giảm chi phí nhập khẩu xúc tác và nâng cao hiệu quả sản xuất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất xúc tác và vật liệu xúc tác: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm xúc tác FCC trong nước, nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường nội địa.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghiệp chế tạo xúc tác FCC, thúc đẩy công nghiệp lọc hóa dầu Việt Nam phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình sấy phun ảnh hưởng như thế nào đến kích thước hạt xúc tác FCC?
    Quá trình sấy phun tạo hạt bằng cách phun sương hỗn hợp gel xúc tác vào dòng khí nóng, làm bay hơi nước nhanh chóng. Kích thước hạt phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng rắn trong hỗn hợp và áp suất đầu phun. Nhiệt độ dòng khí sấy ảnh hưởng đến hình thái bề mặt hạt, nhiệt độ quá cao có thể gây vỡ hoặc nhăn hạt.

  2. Tại sao pH hỗn hợp nguyên liệu lại quan trọng trong quá trình tạo hạt?
    pH ảnh hưởng đến quá trình polymer hóa silicat và liên kết các thành phần trong hạt xúc tác. pH thấp (khoảng 3) giúp tạo liên kết chắc chắn, hạt có kích thước nhỏ, đồng đều và ít kết tụ, trong khi pH cao làm hạt lớn và phân bố không đồng đều.

  3. Zeolite USY có vai trò gì trong xúc tác FCC?
    Zeolite USY là thành phần hoạt tính chính trong xúc tác FCC, có cấu trúc mao quản lớn và tính axit mạnh, giúp tăng hiệu suất cracking, nâng cao chất lượng sản phẩm xăng và khí olefin. USY cũng có độ bền tinh thể và khả năng chống mài mòn cao.

  4. Làm thế nào để đánh giá hoạt tính xúc tác FCC?
    Hoạt tính xúc tác được đánh giá bằng thiết bị SCT-MAT mô phỏng điều kiện vận hành phân xưởng RFCC, đo độ chuyển hóa nguyên liệu, hiệu suất sản phẩm xăng và olefin như propylen. Các chỉ số này phản ánh khả năng cracking và chọn lọc sản phẩm của xúc tác.

  5. Ý nghĩa của việc làm chủ công nghệ chế tạo xúc tác FCC trong nước là gì?
    Làm chủ công nghệ giúp giảm phụ thuộc nhập khẩu, tiết kiệm chi phí, nâng cao năng lực sản xuất trong nước, đồng thời tạo điều kiện phát triển ngành lọc hóa dầu bền vững, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về nhiên liệu và hóa chất cơ bản.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình tạo hạt xúc tác FCC dạng vi cầu bằng kỹ thuật sấy phun với điều kiện tối ưu: nhiệt độ dòng khí sấy 220 °C, pH 3, hàm lượng rắn 15%, thời gian già hóa 2 giờ.
  • Chế tạo thử nghiệm thành công ba hệ xúc tác FCC công nghiệp với chất nền silica, alumina-silica và alumina; trong đó xúc tác silica cho hiệu quả hoạt tính tốt nhất với độ chuyển hóa 87%, hiệu suất xăng 53% và propylen 7,4%.
  • Đặc trưng hóa lý xúc tác bằng XRD, BET, SEM, XRF, NH3-TPD xác nhận cấu trúc zeolite USY ổn định, diện tích bề mặt và độ axit phù hợp với yêu cầu cracking.
  • Kết quả nghiên cứu là tiền đề quan trọng để phát triển công nghệ chế tạo xúc tác FCC trong nước, giảm nhập khẩu và nâng cao hiệu quả vận hành phân xưởng RFCC tại nhà máy lọc dầu Dung Quất.
  • Đề xuất triển khai sản xuất quy mô công nghiệp, nâng cao chất lượng nguyên liệu, xây dựng hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác và đào tạo chuyển giao công nghệ trong vòng 12-18 tháng tới.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị liên quan cần phối hợp triển khai quy trình sản xuất xúc tác FCC công nghiệp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến để nâng cao hiệu suất và độ bền xúc tác, góp phần phát triển ngành lọc hóa dầu Việt Nam bền vững.